(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ個のチャネルを有するマルチチャネル電極アレイ内の少なくとも２つの電極を同時に活性化する方法であって、該方法は、
各電極からの電場の幾何学的重複を反映する空間チャネル相互作用のパラメータを考慮することによって、該マルチチャネルアレイ内の該電極のパルス振幅を計算することを含み、
計算は、少なくとも部分的に、該電極の第１の側の第１の指数関数的減衰定数αおよび該電極の第２の側の第２の指数関数的減衰定数βによって特徴付けられる場所非依存性インパルス応答に基づき、それにより、該第１の指数関数的減衰定数αは、該アレイ内の各電極に対して同一であり、該第２の指数関数的減衰定数βは、該アレイ内の各電極に対して同一であり、
ならびに、計算は、場所依存性インパルス応答を考慮するために、場所依存性荷重係数Ｃｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）を適用することをさらに含む、
方法。
【請求項２】
計算は、三重対角行列の特性を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の指数関数的減衰定数αは、前記第２の指数関数的減衰定数βと等しくない、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
計算は、
前記電極アレイと相対的な所与の位置の所望の電位を決定することであって、該所望の電位は、少なくとも部分的に、連続的交互サンプリング法に基づいて決定される、ことと、
該所与の位置における符号相関パルスの各々から得られる電位を付加することによって、該電極と関連付けられた同時符号相関パルスの振幅を決定することであって、それにより、該所望の電位と実質的に等しい該所与の位置における総電位を提供する、ことと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記マルチチャネル電極アレイは、遠隔接地を有する単極構成を使用する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記マルチチャネル電極アレイは、該アレイの起点の第１の電極と、該アレイの終点の第２の電極とを含み、前記計算方法は、該第１の電極および該第２の電極のうちの少なくとも１つに隣接する仮想電極を導入することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
人工蝸牛システムであって、
少なくとも２つの電極を含むＮ個のチャネルを有するマルチチャネル電極アレイと、
各電極からの電場の幾何学的重複を反映する空間チャネル相互作用に応じて、該電極と関連付けられた電極刺激信号の振幅を計算する刺激装置であって、
計算は、少なくとも部分的に、該電極の第１の側の第１の指数関数的減衰定数αおよび該電極の第２の側の第２の指数関数的減衰定数βによって特徴付けられる場所非依存性インパルス応答に基づき、それにより、該第１の指数関数的減衰定数αは、該アレイ内の各電極に対して同一であり、該第２の指数関数的減衰定数βは、該アレイ内の各電極に対して同一であり、
ならびに、計算は、場所依存性インパルス応答を考慮するために、場所依存性荷重係数Ｃｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）を適用することを含む、刺激装置と
を備える、システム。
【請求項８】
前記第１の指数関数的減衰定数αは、前記第２の指数関数的減衰定数βと等しくない、請求項７に記載の人工システム。
【請求項９】
前記刺激装置は、三重対角行列の特性を使用して、前記電極信号の振幅を決定する、請求項７に記載の人工システム。
【請求項１０】
前記電極アレイは、遠隔接地を有する単極電極構成に配列される、請求項７に記載の人工システム。
【請求項１１】
前記刺激装置は、符号相関パルスを使用して、前記少なくとも２つの電極を同時に活性化する、請求項７に記載の人工システム。
【請求項１２】
音響音声信号を受信するフィルタバンクを含む音声プロセッサをさらに備え、該フィルタバンク内の各フィルタは、前記マルチチャネル電極アレイ内の電極のうちの１つと関連付けられ、該音声プロセッサは、関連付けられたチャネルフィルタから、該マルチチャネル電極アレイ内の各電極に対する荷重係数を導出する、請求項７に記載の人工システム。
【請求項１３】
前記マルチチャネル電極アレイは、該アレイの起点の第１の電極と、該アレイの終点の第２の電極とを含み、前記刺激装置は、前記振幅を計算する際、該第１の電極および該第２の電極のうちの少なくとも１つに隣接する仮想電極を導入する、請求項７に記載の人工システム。
【請求項１４】
Ｎ個のチャネルを有するマルチチャネル電極アレイ内の電極を刺激するためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、各チャネルは、該アレイ内の電極と関連付けられ、該プログラムは、各電極からの電場の幾何学的重複を反映する空間チャネル相互作用に応じて、該電極アレイ内の電極と関連付けられた電極刺激信号の振幅を計算することを含むステップをコンピュータに実行させ、計算は、少なくとも部分的に、該電極の第１の側の第１の指数関数的減衰定数αおよび該電極の第２の側の第２の指数関数的減衰定数βによって特徴付けられる場所非依存性インパルス応答に基づき、それにより、該第１の指数関数的減衰定数αは、該アレイ内の各電極に対して同一であり、該第２の指数関数的減衰定数βは、該アレイ内の各電極に対して同一であり、計算は、場所依存性インパルス応答を考慮するために、場所依存性荷重係数Ｃｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）を適用することをさらに含む、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項１５】
前記計算することは、三重対角行列の特性を使用することを含む、請求項１４に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項１６】
前記第１の指数関数的減衰定数αは、前記第２の指数関数的減衰定数βと等しくない、請求項１４に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項１７】
前記計算することは、
前記電極アレイと相対的な所与の位置の所望の電位を決定することであって、該所望の電位は、少なくとも部分的に、連続的交互サンプリング法に基づいて決定される、ことと、
該所与の位置における符号相関パルスの各々から得られる電位を付加することによって、前記マルチチャネルアレイのうちの少なくとも２つの電極と関連付けられた同時符号相関パルスの振幅を決定することであって、それにより、該所望の電位と実質的に等しい該所与の位置における総電位を提供する、ことと
を含む、請求項１４に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項１８】
前記プログラムは、符号相関パルスを使用して、前記少なくとも２つの電極を同時に刺激することをさらに含むステップを前記コンピュータに実行させる、請求項１４に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項１９】
前記マルチチャネル電極アレイは、該アレイの起点の第１の電極と、該アレイの終点の第２の電極とを含み、前記計算することは、該第１の電極および該第２の電極のうちの少なくとも１つに隣接する仮想電極を導入することを含む、請求項１４に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項２０】
荷重係数Ｃｎは、指数関数的に分布し、Ｃｎ＝γｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）である、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
荷重係数Ｃｎは、指数関数的に分布し、Ｃｎ＝γｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）である、請求項７に記載の人工システム。
【請求項２２】
荷重係数Ｃｎは、指数関数的に分布し、Ｃｎ＝γｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）である、請求項１４に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００７年９月１１日に出願されたＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  Ｉｎｔｒａｃｏｃｈｌｅａｒ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎというタイトルの米国仮特許出願第６０／９７１，４７３号の優先権を主張し、その全体が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、電気神経刺激に関し、より具体的には、人工蝸牛のための同時電気神経刺激に関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景技術）
人工蝸牛および他の内耳補聴器は、重度の難聴者または重度聴覚障害者を支援するための選択肢の１つである。増幅および修正された音信号を単に適用する従来の補聴器と異なり、人工蝸牛は、聴覚神経の直接電気刺激に基づく。通常は、人工蝸牛は、正常聴力に最も類似する聴覚印象が得られるように、内耳内の神経構造を電気的に刺激する。
【０００４】
図１は、通常の人工蝸牛システムを伴う耳の断面図を示す。正常な耳は、外耳１０１を通して鼓膜１０２へと音を伝達し、鼓膜は中耳１０３の骨を動かし、順に、蝸牛１０４を励起する。蝸牛１０４は、蝸牛管１０７によって接続される、前庭階１０５として知られる上方導管と、鼓室階１０６として知られる下方導管とを含む。中耳１０３によって伝達された受信音に応答して、液体で満たされた前庭階１０５および鼓室階１０６は、変換器として機能し、蝸牛神経１１３へ、そして最終的には脳へと伝達される電気パルス発生波を送信する。周波数の処理は、音の最高周波数成分が処理される蝸牛の基点領域から、最低周波数が分析される蝸牛の頂点領域へと変化すると考えられる。
【０００５】
ある人は、通常の感覚神経的聴力に部分的または完全な障害を有する。人工蝸牛システムは、ユーザの蝸牛１０４を直接刺激することによって、これを克服するために開発されている。通常の蝸牛補聴器は、本質的に、音声プロセッサと、埋込型刺激装置１０８の２つの部分を含む。音声プロセッサ（図１に図示せず）は、通常は、マイクロホンと、システム全体のための電源（バッテリ）と、刺激パラメータを抽出するための音響信号の信号処理を行なうために使用されるプロセッサとを含む。最先端の補聴器では、音声プロセッサは、耳掛式（ＢＴＥ）デバイスである。埋込型刺激装置は、刺激パターンを生成し、通常、内耳の鼓室階内に位置付けられる電極アレイ１１０によって、神経組織に伝達する。音声プロセッサと刺激装置との間の接続は、通常、無線周波数（ＲＦ）リンクによって確立される。ＲＦリンクを介して、刺激エネルギーおよび刺激情報の両方が伝達されることに留意されたい。通常は、数百ｋビット／ｓのビットレートを採用するデジタルデータ転送プロトコルが使用される。
【０００６】
人工蝸牛のための標準的刺激法の一実施例は、非特許文献１（その全体が本明細書に参考として援用される。）に記載されるように、「連続的交互サンプリング（ＣＩＳ）」法と呼ばれる。音声プロセッサ内のＣＩＳのための信号処理は、通常は、以下のステップを伴う。
１．フィルタバンクによる可聴周波数範囲のスペクトル帯への分割
２．各フィルタ出力信号の包絡線検波
３．包絡線信号の瞬間的非線形圧縮（マッピング法則）
４．閾値（ＴＨＲ）および最大快適音量（ＭＣＬ）レベルへの適合
鼓室階内の各々の刺激電極は、通常は、外部フィルタバンクの帯域通過フィルタと関連付けられる。非特許文献２（その全体が本明細書に参考として援用される。）に記載されるように、蝸牛の「周波数部位局在原理」によると、高周波数帯域は、基点により近接して位置付けられた電極と関連付けられ、低周波数帯域は、頂点の方向により深く位置付けられた電極と関連付けられる。刺激のために、電荷平衡化電流パルス（通常、二相性対称パルス）が印加される。刺激パルスの振幅は、圧縮された包絡線信号をサンプリングすることによって得られる。特徴的ＣＩＳのパラダイムとして、刺激のために、対称二相性電流パルスが印加される。刺激パルスの振幅は、圧縮された包絡線信号（上述のステップ（３））から直接得られる。これらの信号は、連続的にサンプリングされ、刺激パルスは、完全非重複シーケンスで印加される。したがって、通常のＣＩＳの特長として、１つの刺激チャネルのみ、一度に有効である。全体的刺激速度は、比較的高速である。例えば、全体的刺激速度が１８ｋｐｐｓと想定し、１２のチャネルフィルタバンクを使用すると、チャネルあたりの刺激速度は、１．５ｋｐｐｓである。そのようなチャネルあたりの刺激速度は、通常、包絡線信号の適切な時間的表現のために十分である。
【０００７】
チャネルの数およびチャネルあたりの刺激速度等、音声知覚に及ぼす種々のＣＩＳパラメータの影響が調査されており（例えば、非特許文献３および非特許文献４参照（各々、その全体が本明細書に参考として援用される））、さらなる改良を目指す新しい概念が提案されている。例えば、アプローチの１つは、確率共鳴の原則に基づく（例えば、非特許文献５、非特許文献６、および非特許文献７参照（各々、その全体が本明細書に参考として援用される））。基本理念は、ニューロン内の自発的活動を模倣し、包絡線信号のより自然な表現をスパイクパターンで提供することである。しかしながら、主に、ＣＩＳと比較して、ＣＩ性能に実質的改良が見つかっていないため、今までのところ、本および他のアプローチは、広範な臨床用途に活路を見い出せていない。
【０００８】
現在、いわゆる「微細構造情報」の組み込みは、ＣＩＳをさらに改良する最も有望な方法と考えられる。Ｈｉｌｂｅｒｔ（すなわち、非特許文献８（その全体が本明細書に参考として援用される））を受けて、任意の信号は、低速変動包絡線および時間的微細構造を含有する高速変動信号の積として表現可能である。現在のＣＩＳ法は、包絡線情報のみを使用し、微細構造情報は、破棄される。ＣＩＳ帯域通過フィルタに応じて、時間的微細構造情報は、信号のゼロ交差の位置によって表され、その帯域通過領域内の信号の重心の正確なスペクトル位置（そのような重心の時間的遷移を含む）を追跡する。例えば、母音スペクトル内のフォルマント周波数の時間的遷移は、先行する破裂音または他の無声発話の知覚のために非常に重要である。さらに、帯域通過フィルタ出力の詳細な吟味から、ピッチ周波数が、ゼロ交差の時間的構造内に明白に存在することが明らかとなる。包絡線および微細構造情報の相対的重要性は、非特許文献９（その全体が本明細書に参考として援用される）に記載される実験において調査されている。中間数の４乃至１６の処理チャネルの場合、包絡線は、語音聴取のために最も重要であるのに対し、時間的微細構造は、ピッチ知覚（旋律認識）および音像定位のために最も重要であるというある一致が存在する。
【０００９】
これらの結果に照らして、標準的ＣＩＳは、音声了解度に関しては、良好な選択肢である（例えば、アメリカ英語の場合）。しかしながら、音楽知覚およびいわゆる音調言語（例えば、北京語、広東語、ベトナム語、タイ語等）の知覚に関しては、ＣＩＳは、準最適である場合があって、包絡線および時間的微細構造情報の両方を含有する新しい刺激法が、ＣＩ性能の実質的改良のための潜在性を有し得る。本想定は、例えば、非特許文献１０（その全体が本明細書に参考として援用される）の研究によって支持され、低速変動周波数変調が人工蝸牛対象によって知覚され得ることが実証されており、したがって、将来的刺激法への適切な導入が推奨される。
【００１０】
そのような新しい刺激法を考慮すると、情報の増加は、チャネルあたりのより高いパルス繰り返し率を必要とするであろうことが明白である。完全非重複パルスの基本的ＣＩＳのパラダイムに固執すると、パルス率の増加は、パルス継続時間がより短くなる場合にのみ達成可能である。しかしながら、パルス継続時間は、より短いパルスは、十分な音量のためにより高いパルス振幅を必要とし、パルス振幅は、インプラントの最大供給電圧等の種々の実践的理由のために制限されるため、任意に縮小することが不可能である。加えて、聴覚神経では約τ＝２０−３０μｓである、有髄神経線維内のランヴィエ絞輪の特性のため、基本的神経時定数が存在する（例えば、非特許文献１１（その全体が本明細書に参考として援用される）参照）。刺激パルスに対する膜電位の応答は、単純一次系の応答よりも速いが（「スペクトル加速」、例えば、非特許文献１２（その全体が本明細書に参考として援用される）参照）、τよりも大幅に短い位相持続時間は、膜容量による電流のショートカットを避けるために回避されるべきである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｗｉｌｓｏｎ  ＢＳ，Ｆｉｎｌｅｙ  ＣＣ，Ｌａｗｓｏｎ  ＤＴ，Ｗｏｌｆｏｒｄ  ＲＤ，Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ  ＤＫ，Ｒａｂｉｎｏｗｉｔｚ  ＷＭ，“Ｂｅｔｔｅｒ  ｓｐｅｅｃｈ  ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｃｏｃｈｌｅａｒ  ｉｍｐｌａｎｔｓ，”Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．３５２，２３６−２３８，Ｊｕｌｙ  １９９１
【非特許文献２】Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ  ＤＤ，“Ａ  ｃｏｃｈｌｅａｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｓｅｖｅｒａｌ  ｓｐｅｃｉｅｓ−２９ｙｅａｒｓ  ｌａｔｅｒ，”Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，２５９３−２６０４，１９９０
【非特許文献３】Ｌｏｉｚｏｕ  ＰＣ，Ｐｏｒｏｙ  Ｏ，Ｄｏｒｍａｎ  Ｍ，“Ｔｈｅ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｃｏｃｈｌｅａｒ  ｉｍｐｌａｎｔ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ  ｏｎ  ｓｐｅｅｃｈ  ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ，”Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ  Ａｍ．２０００  Ａｕｇ；１０８（２）：７９０−８０２
【非特許文献４】Ｗｉｌｓｏｎ  Ｂ，Ｗｏｌｆｏｒｄ  Ｒ，Ｌａｗｓｏｎ  Ｄ，Ｓｐｅｅｃｈ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ  ｆｏｒ  Ａｕｄｉｔｏｒｙ  ｐｒｏｓｔｈｅｓｅｓ−Ｓｅｖｅｎｔｈ  ｑｕａｒｔｅｒｌｙ  ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｒｅｐｏｒｔ．ＮＩＨ  Ｐｒｏｊｅｃｔ  Ｎ０１−ＤＣ−８−２１０５
【非特許文献５】ＭｃＮａｍａｒａ  Ｂ  ａｎｄ  Ｗｉｅｓｅｎｆｅｌｄ  Ｋ，“Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ，３９：４８５４−４８６９
【非特許文献６】Ｒｕｂｉｎｓｔｅｉｎ  ＪＴ，Ｗｉｌｓｏｎ  ＢＳ，Ｆｉｎｌｅｙ  ＣＣ，Ａｂｂａｓ  ＰＪ，“Ｐｓｅｕｄｏｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ａｃｔｉｖｉｔｙ：  ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ  ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｏｆ  ａｕｄｉｔｏｒｙ  ｎｅｒｖｅ  ｆｉｂｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ，”Ｈｅａｒ．Ｒｅｓ．１２７，１０８−１１８，１９９９
【非特許文献７】Ｍｏｒｓｅ  ＲＰ  ａｎｄ  Ｅｖａｎｓ  ＥＦ，“Ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｎｏｉｓｅ  ｃａｎ  ｅｎｈａｎｃｅ  ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｃｏｄｉｎｇ  ｉｎ  ａ  ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  ｍｏｄｅｌ  ｏｆ  ａｎａｌｏｇｕｅ  ｃｏｃｈｌｅａｒ  ｉｍｐｌａｎｔ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ，”Ｈｅａｒ．Ｒｅｓ．１３３，１０７−１１９，１９９９
【非特許文献８】Ｈｉｌｂｅｒｔ  Ｄ，“Ｇｒｕｎｄｚｕｇｅ  ｅｉｎｅｒ  ａｌｌｇｅｍｅｉｎｅｎ  Ｔｈｅｏｒｉｅ  ｌｉｎｅａｒｅｒ  Ｉｎｔｅｇｒａｌｇｌｅｉｃｈｕｎｇｅｎ，”Ｔｅｕｂｎｅｒ，Ｌｅｉｐｚｉｇ，１９１２
【非特許文献９】Ｓｍｉｔｈ  ＺＭ，Ｄｅｌｇｕｔｔｅ  Ｂ，Ｏｘｅｎｈａｍ  ＡＪ，“Ｃｈｉｍａｅｒｉｃ  ｓｏｕｎｄｓ  ｒｅｖｅａｌ  ｄｉｃｈｏｔｏｍｉｅｓ  ｉｎ  ａｕｄｉｔｏｒｙ  ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ，”Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４１６，８７−９０，Ｍａｒｃｈ  ２００２
【非特許文献１０】ＦＧ  Ｚｅｎｇ，ＫＢ  Ｎｉｅ，Ｓ  Ｌｉｕ，ＧＳ  Ｓｔｉｃｋｎｅｙ，Ｅ  Ｄｅｌ  Ｒｉｏ，ＹＹ  Ｋｏｎｇ，ＨＢ  Ｃｈｅｎ，“Ｓｐｅｅｃｈ  ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ａｎｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓ，”Ｐｒｏｃ．ｎａｔ．ａｃａｄ．ｏｆ  ｓｃｉｅｎｃｅ  １０２：２２９３−２２９８，２００５
【非特許文献１１】Ｆｒｉｊｎｓ  Ｊ  ａｎｄ  ｔｅｎ  Ｋａｔｅ  Ｊ，“Ａ  ｍｏｄｅｌ  ｏｆ  ｍｙｅｌｉｎａｔｅｄ  ｎｅｒｖｅ  ｆｉｂｅｒｓ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ  ｄｅｓｉｇｎ，”Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．Ｅｎｇ．Ｃｏｍｐｕｔ．，ｖｏｌ  ３２，ｐｐ．３９１−３９８，１９９４
【非特許文献１２】Ｚｉｅｒｈｏｆｅｒ  ＣＭ，“Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ａ  ｌｉｎｅａｒ  ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｘｏｎｓ−ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｒｅｍａｒｋｓ  ｏｎ  ｔｈｅ“ａｃｔｉｖａｔｉｎｇ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｃｏｎｃｅｐｔ”，”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ＢＭＥ，Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．２，Ｆｅｂ．２００１
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（本発明の概要）
本発明の一実施形態によると、マルチチャネル電極アレイ内の少なくとも２つの電極を同時に活性化する方法が、提示される。本方法は、各電極からの電場の幾何学的重複を反映する空間チャネル相互作用のパラメータを考慮することによって、マルチチャネルアレイ内の電極のパルス振幅を計算することを含む。計算は、少なくとも部分的に、電極の第１の側の第１の指数関数的減衰定数αおよび電極の第２の側の第２の指数関数的減衰定数βによって特徴付けられる場所非依存性インパルス応答に基づき、第１の指数関数的減衰定数αは、アレイ内の各電極に相当し、第２の指数関数的減衰定数βは、アレイ内の各電極に相当する。
【００１３】
本発明の関連実施形態によると、計算は、場所依存性荷重係数を適用し、場所依存性インパルス応答を考慮することをさらに含んでもよい。計算は、三重対角行列の特性を使用することを含んでもよい。第１の指数関数的減衰定数αは、第２の指数関数的減衰定数βと等しくなくてもよい。本方法は、符号相関パルスを使用して、少なくとも２つの電極を同時に活性化することをさらに含んでもよい。２つの電極を活性化することは、聴覚神経を刺激してもよい。マルチチャネル電極アレイは、遠隔接地を有する単極構成を使用してもよい。マルチチャネル電極アレイは、アレイの起点の第１の電極と、アレイの終点の第２の電極とを含み、計算方法は、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つに隣接する仮想電極を導入することを含んでもよい。
【００１４】
本発明のさらなる関連実施形態では、計算は、電極アレイと相対的な所与の位置の所望の電位を決定することを含んでもよく、所望の電位は、少なくとも部分的に、連続的交互サンプリング法に基づいて決定される。所与の位置における符号相関パルスの各々から得られる電位を付加することによって、電極と関連付けられた同時符号相関パルスの振幅を計算し、所望の電位と実質的に等しい所与の位置における総電位を提供する。
【００１５】
本発明の別の実施形態によると、人工蝸牛システムは、少なくとも２つの電極を含むマルチチャネル電極アレイを含む。刺激装置は、各電極からの電場の幾何学的重複を反映する空間チャネル相互作用に応じて、電極と関連付けられた電極刺激信号の振幅を計算する。計算は、少なくとも部分的に、電極の第１の側の第１の指数関数的減衰定数αおよび電極の第２の側の第２の指数関数的減衰定数βによって特徴付けられる場所非依存性インパルス応答に基づき、第１の指数関数的減衰定数αは、アレイ内の各電極に相当し、第２の指数関数的減衰定数βは、アレイ内の各電極に相当する。
【００１６】
本発明の関連実施形態によると、刺激装置は、電極刺激信号の振幅を計算する際、場所依存性荷重係数を適用し、場所依存性インパルス応答を考慮する。人工システムは、三重対角行列の特性を使用して、電極信号の振幅を決定してもよい。第１の指数関数的減衰定数αは、第２の指数関数的減衰定数βと等しくなくてもよい。電極アレイは、遠隔接地を有する単極電極構成に配列されてもよい。刺激装置は、符号相関パルスを使用して、少なくとも２つの電極を同時に活性化してもよい。マルチチャネル電極アレイは、聴覚神経を刺激するための人工蝸牛の一部であってもよい。システムは、音響音声信号を受信するためのフィルタバンクを含む音声プロセッサをさらに含んでもよく、フィルタバンク内の各フィルタは、マルチチャネル電極アレイ内の電極のうちの１つと関連付けられる。音声プロセッサは、関連付けられたチャネルフィルタから、マルチチャネル電極アレイ内の各電極に対する荷重係数を導出する。
【００１７】
本発明の別の実施形態によると、マルチチャネル電極アレイ内の電極を刺激する、コンピュータシステム上で使用するためのコンピュータプログラム製品が、提示される。各チャネルは、アレイ内の電極と関連付けられる。コンピュータプログラム製品は、そこにコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能媒体を含む。コンピュータ可読プログラムコードは、各電極からの電場の幾何学的重複を反映する空間チャネル相互作用に応じて、電極アレイ内の電極と関連付けられた電極刺激信号の振幅を計算するプログラムコードを含む。計算は、少なくとも部分的に、電極の第１の側の第１の指数関数的減衰定数αおよび電極の第２の側の第２の指数関数的減衰定数βによって特徴付けられる場所非依存性インパルス応答に基づき、第１の指数関数的減衰定数αは、アレイ内の各電極に相当し、第２の指数関数的減衰定数βは、アレイ内の各電極に相当する。
【００１８】
本発明の関連実施形態によると、計算のためのプログラムコードは、場所依存性荷重係数を適用し、場所依存性インパルス応答を考慮するステップをさらに含んでもよい。計算のプログラムコードは、三重対角行列の特性を使用するステップを含んでもよい。第１の指数関数的減衰定数αは、第２の指数関数的減衰定数βと等しくなくてもよい。コンピュータプログラム製品は、符号相関パルスを使用して、少なくとも２つの電極を同時に刺激するためのプログラムコードをさらに含んでもよい。マルチチャネル電極アレイは、聴覚神経を刺激するための人工蝸牛の一部であってもよい。マルチチャネル電極アレイは、遠隔接地を有する単極構成を使用してもよい。マルチチャネル電極アレイは、アレイの起点の第１の電極と、アレイの終点の第２の電極とを含んでもよく、計算のプログラムコードは、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つに隣接する仮想電極を導入することを含む。
【００１９】
本発明のさらなる関連実施形態では、計算のプログラムコードは、電極アレイと相対的な所与の位置の所望の電位を決定するプログラムコードを含んでもよく、所望の電位は、少なくとも部分的に、連続的交互サンプリング法に基づいて決定される。所与の位置における符号相関パルスの各々から得られる電位を付加することによって、電極と関連付けられた同時符号相関パルスの振幅を計算し、所望の電位と実質的に等しい所与の位置における総電位を提供する。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
マルチチャネル電極アレイ内の少なくとも２つの電極を同時に活性化する方法であって、該方法は、
各電極からの電場の幾何学的重複を反映する空間チャネル相互作用のパラメータを考慮することによって、該マルチチャネルアレイ内の該電極のパルス振幅を計算することを含み、
計算は、少なくとも部分的に、該電極の第１の側の第１の指数関数的減衰定数αおよび該電極の第２の側の第２の指数関数的減衰定数βによって特徴付けられる場所非依存性インパルス応答に基づき、それにより、該第１の指数関数的減衰定数αは、該アレイ内の各電極に相当し、該第２の指数関数的減衰定数βは、該アレイ内の各電極に相当し、
ならびに、計算は、場所依存性インパルス応答を考慮するために、場所依存性荷重係数を適用することをさらに含む、
方法。
（項目２）
計算は、三重対角行列の特性を使用することを含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
上記第１の指数関数的減衰定数αは、上記第２の指数関数的減衰定数βと等しくない、項目１に記載の方法。
（項目４）
計算は、
上記電極アレイと相対的な所与の位置の所望の電位を決定することであって、該所望の電位は、少なくとも部分的に、連続的交互サンプリング法に基づいて決定される、ことと、
該所与の位置における符号相関パルスの各々から得られる電位を付加することによって、該電極と関連付けられた同時符号相関パルスの振幅を決定することであって、それにより、該所望の電位と実質的に等しい該所与の位置における総電位を提供する、ことと
を含む、項目１に記載の方法。
（項目５）
聴覚神経を刺激するように、符号相関パルスを使用して、上記少なくとも２つの電極を同時に活性化することをさらに備える、項目１に記載の方法。
（項目６）
上記マルチチャネル電極アレイは、遠隔接地を有する単極構成を使用する、項目１に記載の方法。
（項目７）
上記マルチチャネル電極アレイは、該アレイの起点の第１の電極と、該アレイの終点の第２の電極とを含み、上記計算方法は、該第１の電極および該第２の電極のうちの少なくとも１つに隣接する仮想電極を導入することを含む、項目１に記載の方法。
（項目８）
人工蝸牛システムであって、
少なくとも２つの電極を含むマルチチャネル電極アレイと、
各電極からの電場の幾何学的重複を反映する空間チャネル相互作用に応じて、該電極と関連付けられた電極刺激信号の振幅を計算する刺激装置であって、
計算は、少なくとも部分的に、該電極の第１の側の第１の指数関数的減衰定数αおよび該電極の第２の側の第２の指数関数的減衰定数βによって特徴付けられる場所非依存性インパルス応答に基づき、それにより、該第１の指数関数的減衰定数αは、該アレイ内の各電極に相当し、該第２の指数関数的減衰定数βは、該アレイ内の各電極に相当し、
ならびに、計算は、場所依存性インパルス応答を考慮するために、場所依存性荷重係数を適用することを含む、刺激装置と
を備える、システム。
（項目９）
上記第１の指数関数的減衰定数αは、上記第２の指数関数的減衰定数βと等しくない、項目８に記載の人工システム。
（項目１０）
上記刺激装置は、三重対角行列の特性を使用して、上記電極信号の振幅を決定する、項目８に記載の人工システム。
（項目１１）
上記電極アレイは、遠隔接地を有する単極電極構成に配列される、項目８に記載の人工システム。
（項目１２）
上記刺激装置は、符号相関パルスを使用して、上記少なくとも２つの電極を同時に活性化する、項目８に記載の人工システム。
（項目１３）
音響音声信号を受信するフィルタバンクを含む音声プロセッサをさらに備え、該フィルタバンク内の各フィルタは、上記マルチチャネル電極アレイ内の電極のうちの１つと関連付けられ、該音声プロセッサは、関連付けられたチャネルフィルタから、該マルチチャネル電極アレイ内の各電極に対する荷重係数を導出する、項目８に記載の人工システム。
（項目１４）
上記マルチチャネル電極アレイは、該アレイの起点の第１の電極と、該アレイの終点の第２の電極とを含み、上記刺激装置は、上記振幅を計算する際、該第１の電極および該第２の電極のうちの少なくとも１つに隣接する仮想電極を導入する、項目８に記載の人工システム。
（項目１５）
マルチチャネル電極アレイ内の電極を刺激するコンピュータシステム上で使用するためのコンピュータプログラム製品であって、各チャネルは、該アレイ内の電極と関連付けられ、該コンピュータプログラム製品は、自身にコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能媒体を備え、該コンピュータ可読プログラムコードは、各電極からの電場の幾何学的重複を反映する空間チャネル相互作用に応じて、該電極アレイ内の電極と関連付けられた電極刺激信号の振幅を計算するプログラムコードを含み、計算は、少なくとも部分的に、該電極の第１の側の第１の指数関数的減衰定数αおよび該電極の第２の側の第２の指数関数的減衰定数βによって特徴付けられる場所非依存性インパルス応答に基づき、それにより、該第１の指数関数的減衰定数αは、該アレイ内の各電極に相当し、該第２の指数関数的減衰定数βは、該アレイ内の各電極に相当し、ならびに、計算は、場所依存性インパルス応答を考慮するために、場所依存性荷重係数を適用することをさらに含む、コンピュータプログラム製品。
（項目１６）
計算のための上記プログラムコードは、三重対角行列の特性を使用するプログラムコードを含む、項目１５に記載のコンピュータプログラム製品。
（項目１７）
上記第１の指数関数的減衰定数αは、上記第２の指数関数的減衰定数βと等しくない、項目１５に記載のコンピュータプログラム製品。
（項目１８）
計算のための上記プログラムコードは、
上記電極アレイと相対的な所与の位置の所望の電位を決定するプログラムコードであって、該所望の電位は、少なくとも部分的に、連続的交互サンプリング法に基づいて決定される、プログラムコードと、
該所与の位置における符号相関パルスの各々から得られる電位を付加することによって、上記マルチチャネルアレイのうちの少なくとも２つの電極と関連付けられた同時符号相関パルスの振幅を決定するプログラムコードであって、それにより、該所望の電位と実質的に等しい該所与の位置における総電位を提供する、プログラムコードと
を含む、項目１５に記載のコンピュータプログラム製品。
（項目１９）
符号相関パルスを使用して、上記少なくとも２つの電極を同時に刺激するプログラムコードをさらに備える、項目１５に記載のコンピュータプログラム製品。
（項目２０）
上記マルチチャネル電極アレイは、該アレイの起点の第１の電極と、該アレイの終点の第２の電極とを含み、計算のための上記プログラムコードは、該第１の電極および該第２の電極のうちの少なくとも１つに隣接する仮想電極を導入するプログラムコードを含む、項目１５に記載のコンピュータプログラム製品。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明の上述の特長は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解されるであろう。
【図１】図１は、通常の人工蝸牛システムを伴う耳の断面図を示す。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、蝸牛の１次元モデルを示し、鼓室階内に位置付けられた１２チャネル電極アレイと、鼓室階外の対電極とを含む。
【図３ａ】図３ａ−ｃは、本発明の一実施形態による、１２チャネル系内の電位分布の定性的な図を示し、パルスは、電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ１０、Ｅ１１、およびＥ１２内で連続的に印加される。
【図３ｂ】図３ａ−ｃは、本発明の一実施形態による、１２チャネル系内の電位分布の定性的な図を示し、パルスは、電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ１０、Ｅ１１、およびＥ１２内で連続的に印加される。
【図３ｃ】図３ａ−ｃは、本発明の一実施形態による、１２チャネル系内の電位分布の定性的な図を示し、パルスは、電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ１０、Ｅ１１、およびＥ１２内で連続的に印加される。
【図４】図４は、本発明の実施形態による、１２チャネル同時刺激系の電位分布を示す。
【図５】図６は、本発明の実施形態による、場所依存性インパルス応答を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（特定の実施形態の詳細な説明）
例示的実施形態では、人工蝸牛のための同時刺激方法およびシステムが、提示される。およそニューロンの絶対不応期以下の時間内に印加され得る一連の連続的刺激パルスは、空間チャネル相互作用のパラメータを考慮するように適合される振幅を伴う一連の同時パルスによって置換される。振幅適合のための計算量は、個々の電極内の単位応答が、２つの異なる減衰定数α（頂点に向かう）およびβ（基点に向かう）を伴う指数関数的減衰を有する場合、大幅に縮約されてもよい。示されるように、概して、この場合、チャネル相互作用行列の逆数は、三重対角である。新しいパラダイムは、技術的に合理的な位相継続時間を伴うパルスに基づく。理論的には、Ｎチャネル系内の１秒あたりのパルス数は、Ｎから最大Ｎ２まで増加されてもよい。同時刺激パルスは、通常は、単極電極構成において、符号相関する。人工蝸牛患者から得られる結果は、両条件が同一パルス率を使用する場合、標準的連続および同時パラダイムのための少なくとも同一音声知覚を示す。
【００２２】
（同時刺激）
（符号相関刺激パルス）
本発明の種々の実施形態では、システムは、単極電極構成における同時符号相関刺激パルスを使用する。符号相関パルスは、概して、２つの条件によって定義される。（ｉ）全パルスは、実質的に１００％時間同期する、および（ｉｉ）全パルスは、実質的に同一電流方向を有する（すなわち、等号）。
【００２３】
図２は、本発明の一実施形態による、蝸牛の１次元モデルを示し、展開された伝導管によって表され、鼓室階内に位置付けられる１２チャネル電極アレイ２６０と、外部（通常、側頭筋下）の対電極２４０とを含む。そのような方式は、単極電極構成と呼ばれる。電極接点Ｅ１−Ｅ１２２２０−２３１によって示される電極アレイは、骨性蝸牛壁よりも非常に高い電気伝導性を有する流体および組織によって囲繞されることが想定される（例えば、Ｓｕｅｓｓｅｒｍａｎｎ  ＭＦ，Ｓｐｅｌｍａｎ  ＦＡ，“Ｌｕｍｐｅｄ−ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  ｉｎ  ｖｉｖｏ  ｃｏｃｈｌｅａｒ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ，”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ＢＭＥ，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ  １９９３（その全体が本明細書に参考として援用される）参照）。興奮性ニューロンは、骨性らせん板の後のいわゆる神経線維チャネル内の鼓室階の外側にあると推定される（例えば、Ｇｅｉｓｌｅｒ  ＣＤ“Ｆｒｏｍ  ｓｏｕｎｄ  ｔｏ  ｓｙｎａｐｓｅ，”ＩＳＢＮ  ０−１９−５１００２５−５，Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，１９９８（その全体が本明細書に参考として援用される）参照）。刺激パルスは、電流源Ｑ１−Ｑ１２２００−２３１内で生成される。図１では、異なる振幅を伴う符号相関二相性パルスは、電流源Ｑ１２００、Ｑ５２０４、Ｑ１０２０９、およびＱ１２２１１内で同時に生成され、二相性波形ｉ１（ｔ）２５０、ｉ５（ｔ）２５１、ｉ１０（ｔ）２５２、およびｉ１２（ｔ）２５３を発生させる。全電流パルスの和は、蝸牛の外側の基準電極を通って流動するように強制される。しかしながら、全活性電極が同一伝導性媒体内にあるため、個々の活性電極によって生じる電位は、鼓室階自体内、およびニューロンの位置において、相当な幾何学的重複を示すであろう。本効果は、空間チャネル相互作用として知られる。しかしながら、チャネル相互作用にもかかわらず、単極構成と組み合わせた符号相関は、全電流の和が、遠隔接地電極２４０内に流動する、すなわち、両パルス位相内の電荷の１００％が、ニューロンの領域を通って流動するように強制されることを保証する。本特長は、提示される構成の特徴であって、いわゆる双極性または多極性構成の状況とは異なることに留意されたい（例えば、Ｖａｎ  ｄｅｎ  Ｈｏｎｅｒｔ  Ｃ，Ｓｔｙｐｕｌｋｏｗｓｋｉ，“Ｓｉｎｇｌｅ  ｆｉｂｅｒ  ｍａｐｐｉｎｇ  ｏｆ  ｓｐａｔｉａｌ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｐａｔｔｅｒｎｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  ａｕｄｉｔｏｒｙ  ｎｅｒｖｅ，”Ｈｅａｒ．Ｒｅｓ．２９，１９５−２０６，１９８７；ａｎｄ  Ｍｉｙｏｓｈｉ  Ｓ，Ｓａｋａｊｉｒｉ  Ｍ，Ｉｆｕｋｕｂｅ  Ｔ，Ｍａｔｓｕｓｈｉｍａ  Ｊ，“Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｒｉｐｏｌａｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｂｙ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ａｎｉｍａｌ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｆｏｒ  ｃｏｃｈｌｅａｒ  ｉｍｐｌａｎｔｓ，”Ａｃｔａ  Ｏｔｏｌ．Ｓｕｐｐｌ．５３２：１２３−５，１９９７（各々、その全体が本明細書に参考として援用される）参照）。例えば、双極性構成では、受信側およびソ��ス電極は両方とも、鼓室階内にあって、通常は、１乃至３ｍｍ離間する。遠隔接地電極は、省略される。刺激のために、活性電極は、パルス位相の異符号を伴って、同時に作動される。これは、電極の近傍における電場のさらなる集中につながり、したがって、チャネル相互作用を抑えるが、重要な不利点が存在する。蝸牛内媒体の高伝導性は、活性化された電極間の低インピーダンス分路を表すため、電流の大部分は、鼓室階内を流動し、ニューロンの位置に到達しない。単極構成と比較して、実質的により高い刺激パルス振幅は、閾値上刺激を要求し、大幅に増加したインプラントの電力消費をもたらす。加えて、Ｂｒｕｍｍｅｒ  ＳＢ，Ｔｕｒｎｅｒ  ＭＪ，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｐｔ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ：ＩＩ−Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍａｘｉｍｕｍ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｒｅｄｏｘ（ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  ｎｏｎ−ｇａｓｓｉｎｇ）ｌｉｍｉｔｓ，”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ＢＭＥ，Ｖｏｌ．２４，Ｓｅｐｔ．１９７７（その全体が本明細書に参考として援用される）に記載のように、非常に高い電流密度は、電極接点の金属面において生じ、安全性の問題を引き起こし得る。
【００２４】
（チャネル相互作用補償−基本概念）
以下の議論は、標準的ＣＩＳパラダイムを出発点とする。連続的に印加される二相性電流パルスのシーケンスによって生じる鼓室階内の電圧電位を検討する。以下では、刺激パルスの脱分極位相のみ考慮され、便宜上、正符号が、それぞれの電位分布と関連付けられる。図２における蝸牛の単純１次元モデルが再び使用され、単に、組織のオーミック挙動が想定される（Ａ  Ｋｒａｌ，Ｒ  Ｈａｒｔｍａｎｎ，Ｄ  Ｍｏｒｔａｚａｖｉ，Ｒ  Ｋｌｉｎｋｅ，“Ｓｐａｔｉａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃｏｃｈｌｅａｒ  ｉｍｐｌａｎｔｓ：ｔｈｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｆｉｅｌｄ  ａｎｄ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｕｄｉｔｏｒｙ  ａｆｆｅｒｅｎｔｓ，”Ｈｅａｒ．Ｒｅｓ．１２１，ｐｐ．１１−２８，Ｊｕｌｙ  １９９８（その全体が本明細書に参考として援用される）参照）。図３（ａ−ｃ）は、本発明の一実施形態による、１２チャネル系における電位分布の定性的な図を示し、パルスは、電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ１０、Ｅ１１、およびＥ１２内で連続的に印加される。Ｅ１内の第１のパルスは、図３（ａ）に示されるように生じる。電極Ｅ１内の第１のパルスによる電圧分布ｕ１（ｘ）に関して（上方パネル）、大部分のニューロンは、電極の直近で活性化され、活性化されたニューロンの数は、Ｅ１までの距離の増加に伴って減少するであろう。Ｅ５内の第２のパルスは、図３（ｂ）に示されるように、第１のパルス直後に生じ、電位ｕ５（ｘ）を発生させる。しかしながら、空間チャネル相互作用によって、ｕ５（ｘ）は、ｕ１（ｘ）によって部分的に遮蔽され、したがって、Ｅ５の近傍のニューロンの多くは、第１のパルスによって既に励起されているため、本パルスは、新しいニューロンをあまり活性化しないであろう。これらのニューロンは、不応状態にあるため、再び誘起されることができない。図３（ｂ）に示されるように、新しいニューロンは、ｕ５（ｘ）下の斜線領域に従ってのみ誘発され得る。同様に、各々一つの続くパルスも、別々に活性化される場合と比較して、わずかなニューロンのみ補充する可能性がある。全連続パルスが、およそニューロンの絶対不応期（≒１ｍｓ）以下の期間内で印加される場合、図３（ｃ）に示されるように、空間チャネル相互作用と組み合わせた不応性効果は、個々の連続的に印加された電位分布の輪郭電位から概ね導出される補充プロファイルを生じさせるであろう。電極Ｅ１１内のパルスは、その先行電極によって遮蔽され、したがって、輪郭電位に寄与しない。図３（ａ−ｃ）の実施例では、関連付けられた電位分布が、その先行電極によって完全に遮蔽されるため、電極Ｅ１１内で誘発されたパルスは、ニューロンを活性化できないことに留意されたい。
【００２５】
例示的実施形態では、一連の連続的に印加されたパルスの輪郭電位は、一連の符号相関同時パルスによって生成されるいわゆる「総和電位」で近似される。輪郭電位は、およそ神経線維の一絶対不応期より短い期間内に印加される連続パルスから求められる必要がある。この場合、総和電位および輪郭電位は、本質的に、同一パターンのニューロン活性を生じさせることが規定される。同時パルスの振幅は、連続振幅から導出されるが、空間電位重畳を考慮することによって修正される。総和および輪郭電位は、活性電極の位置に等しいはずである。本概念は、「チャネル相互作用補償（ＣＩＣ）」と呼ばれる。例えば、図２の実施例における電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ１０、およびＥ１２内のパルス振幅が、それ相当に修正され、同時に印加される場合、図４に示されるような総和電位をもたらす。要求されるように、総和電位（円形）および輪郭電位（＋符号）は、電極位置において一致する。これらの位置間では、総和電位は、連続的輪郭と比較して、あまり顕著ではない。
【００２６】
（分析）
（一般的空間インパルス応答）
蝸牛の１次元モデルおよび組織の線形オーミック挙動を想定すると、位置ｘｎにおける電極番号ｎ内の単一電流振幅Ｉｓｅｑｕ，ｎによって生じる電圧分布ｕｎ（ｘ）は、以下によって求められる。
【数１】
0005399396.tif 000002
【００２７】
式中、関数ｒｎ（ｘ）は、電極番号ｎと関連付けられた空間インパルス応答を示す。通常は、各電極は、その特異的応答ｒｎ（ｘ）を有するが、全応答は、ｘ＝０時に最大値が生じ、両側において単調に減衰するという共通点がある（例えば、Ｋｒａｌ  Ａ，Ｈａｒｔｍａｎｎ  Ｒ，Ｍｏｒｔａｚａｖｉ  Ｄ，Ｋｌｉｎｋｅ  Ｒ，“Ｓｐａｔｉａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃｏｃｈｌｅａｒ  ｉｍｐｌａｎｔｓ：ｔｈｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｆｉｅｌｄ  ａｎｄ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｕｄｉｔｏｒｙ  ａｆｆｅｒｅｎｔｓ，”Ｈｅａｒ．Ｒｅｓ．１２１，１１−２８，１９９８；ａｎｄ  Ｚｉｅｒｈｏｆｅｒ  ＣＭ，Ｈｏｃｈｍａｉｒ−Ｄｅｓｏｙｅｒ  ＩＪ，Ｈｏｃｈｍａｉｒ  ＥＳ，“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  ｃｏｃｈｌｅａｒ  ｉｍｐｌａｎｔ  ｆｏｒ  ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ  ｈｉｇｈ−ｒａｔｅ  ｐｕｌｓａｔｉｌｅ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｒｅｈａｂ．Ｅｎｇ．，  Ｖｏｌ．３，Ｍａｒｃｈ  １９９５（各々、その全体が本明細書に参考として援用される）参照）。したがって、電極位置ｘ＝ｘｎ時のピーク電位Ｕｍａｘ，ｎは、以下によって求められる。
【数２】
0005399396.tif 000003
【００２８】
現在の概念では、同時振幅Ｉｎは、活性電極の位置におけるピーク電位と等しい総和電位を生じさせることが必要とされる。便宜上、電極空間ｄ＝ｘｎ−ｘｎ−１を伴う等距離電極が、想定される。Ｎチャネル系の全電極が同時に活性化される場合、以下の方程式の集合が求められる。
【数３】
0005399396.tif 000004
【００２９】
ベクトル表記法を使用して、（３）に（２）を代入することによって、連続振幅と同時振幅との関係を求める。
【数４】
0005399396.tif 000005
【００３０】
式中、Ｈ０は、いわゆる「チャネル相互作用行列」を示す。
【数５】
0005399396.tif 000006
【００３１】
同時振幅は、以下によって計算可能である。
【数６】
0005399396.tif 000007
【００３２】
式中、Ｈ０−１は、Ｈ０の逆数である。種々のＣＩＣ用途では、全部ではないが、電極のサブセットのみ、同時活性の候補となるであろう。系（４）は、振幅ベクトルから未使用電流振幅（連続および同時の両方）を除去することによって簡略化され、行列Ｈ０から対応する行と列を削除する。本手順は、「ＣＩＣ系の縮約」と呼ばれる。
【００３３】
概して、ＣＩＣ手順から求められる同時振幅は、負の解を含む可能性がある。負の振幅は、反転位相を伴うパルスが、所望の総和電位を達成するために必要とされることを意味する。しかしながら、そのようなパルスは、符号相関の原則と矛盾し、したがって、適用不可能であって、排除されなければならない。これは、ＣＩＣ系の別の縮約、および修正された相互作用行列による残りの振幅の再計算を必要とする。理論的には、新しい解は、再び負の振幅を含む可能性があり、したがって、正の同時振幅のみを伴うベクトルが得られるまで、再計算の手順が繰り返される。最も極端な場合、一振幅のみ残り、この場合、「同時」および「連続」振幅が等しいことは自明である。
【００３４】
限られた空間および電源を伴う人工蝸牛システムにおける実践的実現に関して、記載されるような反復ＣＩＣ手順は、計算的に困難である。特に、行列反転は、問題を生じさせる。例えば、ガウス・ジョーダンアルゴリズム等の標準的行列反転手順は、リアルタイム動作に対して実装することは困難である。一方、反転された行列係数を格納するには、多くのメモリを必要とする。Ｋ個の同時振幅を伴うＣＩＣ系の場合、
【化１】
0005399396.tif 000008
【００３５】
行列係数の全体数を伴う２Ｋの異なる反転行列が格納される必要があることは、直ぐに明らかとなる。Ｋ＝１２の場合、４０９６行列および１５９７４４係数となる。
【００３６】
（指数関数的減衰を伴う空間インパルス応答）
（場所非依存性インパルス応答）
本発明の例示的実施形態では、インパルス応答ｒｎ（ｘ）が、２つの指数関数的に減衰する分岐、すなわち、
【数７】
0005399396.tif 000009
から成る場所非依存性関数をとる場合、ＣＩＣのための計算コストは、劇的に縮小され得る。
【００３７】
式中、ｒ０は、定数パラメータであって、λａｐｅｘおよびλｂａｓｅは、それぞれ、頂点および基点に向かう指数関数的減衰定数である。応答（７）は、現実に対して多少粗い近似値を表すことに留意されたい。しかしながら、以下の項で実証されるように、ここで導出される行列解析は、指数関数的減衰を伴う場所依存性インパルス応答のより現実的状況に対して採用されてもよい。電極空間ｄを伴う等距離電極を想定すると、以下の２つの定数αおよびβを定義することが可能となる。
【数８】
0005399396.tif 000010
【００３８】
αおよびβとともに、（７）を（５）に代入して、相互作用行列を求める。
【数９】
0005399396.tif 000011
【００３９】
幸いにも、本行列Ｈは、以下に示されるように、非常に有利な特性を有する。第１の重要な特長として、行列Ｈは、減衰定数が［０≦α＜１］および［０≦β＜１］の範囲内にある場合、正則である。このことは、個々の行と列が、確実に、互いに線形従属していないことから容易に分かる。（９）から、系（４）は、以下のように表すことができる。
【数１０】
0005399396.tif 000012
【００４０】
以下の議論の場合（図３と一致する）、電極指数は、頂点から基点、すなわち、左から右へと増加すると想定される。ＣＩＣ縮約手順では、通常は、電極のサブセットが選択され、未使用連続振幅のための方程式が削除され、未使用同時振幅は、ゼロに設定される。例えば、１２チャネル系を検討すると、指数３、５、８、９、および１１を伴う電極が、同時刺激のために選択されている。電極３は、右に向かってその次の隣接電極５を伴う最左電極であって、電極１１は、左に向かってその次の隣接電極９を伴う最右電極である。電極５、８、および９は、２つの隣接電極、すなわち、それぞれ、３と８、５と９、ならびに８と１１を有する。概して、指数ｋを伴う電極が、指数ｋ−Ｌ１およびｋ＋Ｌ２（Ｌ１≧１、Ｌ２≧１）を伴う２つの隣接電極を有する場合、関連付けられる振幅は、Ｉｓｅｑｕ，ｋ、Ｉｓｅｑｕ，ｋ−Ｌ１、およびＩｓｅｑｕ，ｋ＋Ｌ２となる。多項式σｎおよびρｎ（ｎ＝１、２、…、Ｎ）の定義は、以下となり、
【数１１】
0005399396.tif 000013
【００４１】
振幅Ｉｓｅｑｕ，ｋと、２つの隣接振幅Ｉｓｅｑｕ，ｋ−Ｌ１およびＩｓｅｑｕ，ｋ＋Ｌ２は、以下のように表される。
【数１２】
0005399396.tif 000014
【００４２】
（１０）を詳しく見ると、以下の恒等式が明らかとなる。
【数１３】
0005399396.tif 000015
【００４３】
、および
【数１４】
0005399396.tif 000016
【００４４】
（１３）および（１４）を（１２）に代入して、以下を求める。
【数１５】
0005399396.tif 000017
【００４５】
本系は、３つの未知の変数σｋ、ρｋ、およびＩｋを伴う３つの方程式から成る。Ｉｋの分離によって、以下を求める。
【数１６】
0005399396.tif 000018
【００４６】
式中、
【数１７】
0005399396.tif 000019
【００４７】
したがって、概して、同時振幅Ｉｋは、同一電極内の連続振幅Ｉｓｅｑｕ，ｋと、隣接活性電極内の２つの連続振幅Ｉｓｅｑｕ，ｋ−Ｌ１およびＩｓｅｑｕ，ｋ＋Ｌ２とによって、完全に決定され得る。荷重係数ａ（Ｌ１）、ｂ（Ｌ１，Ｌ２）、およびｃ（Ｌ２）は、より低位の活性隣接電極までの距離Ｌ１、および、より高位の活性隣接電極までのＬ２に依存する。
【００４８】
最左および最右活性電極は、特別な配慮を必要とし得る。最左活性電極は、より低指数を伴う位置における隣接電極を有さない。しかしながら、より低位の電極アドレス方向の総和電位は、減衰パラメータaに従って、指数関数的に減少する。したがって、Ｉｓｅｑｕ，ｋが最左振幅の振幅を表す場合、振幅aＩｓｅｑｕ，ｋを伴う位置ｋ−１（Ｌ１ ＝ １）における（仮想）隣接電極が導入されてもよい。（１６）に代入して、以下を求める。
【数１８】
0005399396.tif 000020
【００４９】
（１７）から、係数ｂ０（Ｌ２）は、以下となる。
【数１９】
0005399396.tif 000021
【００５０】
同様に、最右活性電極は、より高位の電極位置に隣接電極を有しない。本領域では、総和電位は、βに従って、指数関数的に減衰する。Ｉｓｅｑｕ，ｋが最右振幅の振幅を表す場合、得られる振幅βＩｓｅｑｕ，ｋを伴う位置ｋ＋１（Ｌ２＝１）における（仮想）隣接電極が導入されてもよい。（１６）に代入して、以下を求める。
【数２０】
0005399396.tif 000022
【００５１】
（１７）から、係数ｂ０（Ｌ１）は、以下となる。
【数２１】
0005399396.tif 000023
【００５２】
（１７）、（１９）、および（２１）から、（９）の逆行列Ｈ−１は、以下によって求められる。
【数２２】
0005399396.tif 000024
【００５３】
行列Ｈ−１は、３つの主要対角線内にのみ非ゼロ係数を伴う三重対角である。系の縮約の場合、Ｈの行と列が削除され、縮約された行列Ｈ’をもたらす。先に導出されたように、得られた逆数Ｈ’−１は、再び三重対角であって、行列サイズの差異に加えて、係数の「局所的変化」のみ生じる。したがって、同時振幅のベクトルが計算され、負の解を含有する場合、これらの負の解は、除去される必要がある。負の振幅に隣接している振幅のみ、再計算される必要がある。本特長は、反復ＣＩＣ手順において非常に有利である。
【００５４】
例えば、電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ１０、Ｅ１１、およびＥ１２の同時刺激を伴う１２チャネル系を検討する。得られる縮約系は、以下によって求められる。
【数２３】
0005399396.tif 000025
【００５５】
活性電極間の距離は、Ｈ’−１の行列係数に直接反映される。同時振幅の計算は、負の結果Ｉ１１をもたらすと想定すると、さらなる系の縮約が必要とされる。振幅Ｉｓｅｑｕ，１１およびＩ１１が、振幅ベクトルから除去され、第４の行と列が、Ｈ’−１から除去される。得られる新しい系は、以下となる。
【数２４】
0005399396.tif 000026
【００５６】
行列Ｈ’−１およびＨ’’−１の行１および２内の係数は、変化しておらず、したがって、振幅Ｉ１およびＩ５は、再計算される必要がないことに留意されたい。係数変化は、Ｈ’’−１の行（および列）３および４のみに影響し、したがって、電極１０および１２（電極１１の以前の隣接電極）のみ、新しい相互距離のため、その振幅を変化させる。
【００５７】
ＫチャネルＣＩＣ系の全可能な反転行列の係数ａ（Ｌ１）、ｂ（Ｌ１，Ｌ２）、ｃ（Ｌ２）、ｂ０（Ｌ２）、ｂ０（Ｌ１）を格納するために必要とされるメモリの量は、任意応答を伴うＣＩＣ系と比較して、非常に少ない。ｂ（Ｌ１，Ｌ２）＝ｂ（Ｌ２，Ｌ１）を使用して、短い計算から、可能な係数の全体数は、偶数Ｋの場合、
【化２】
0005399396.tif 000027
であって、奇数Ｋの場合、
【化３】
0005399396.tif 000028
であることが分かる。Ｋ＝１２の場合、６３の係数をもたらし、一般的系の１５９７４４係数よりも実質的に少ない。
【００５８】
（場所依存性インパルス応答）
概して、空間インパルス応答は、電極位置に依存する。いくつかの理由、すなわち、鼓室階の可変径および蝸牛内電極アレイの可変径が、これに寄与する。例えば、測定されるインパルス応答は、全電極においておよそ指数関数的減衰を示し、頂点に向かう傾斜は、基点に向かう傾斜よりも浅く（すなわち、α＞β）、最大値は、概して、基点よりも頂点領域おいて高い（Ａ  Ｋｒａｌ，Ｒ  Ｈａｒｔｍａｎｎ，Ｄ  Ｍｏｒｔａｚａｖｉ，Ｒ  Ｋｌｉｎｋｅ，“Ｓｐａｔｉａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃｏｃｈｌｅａｒ  ｉｍｐｌａｎｔｓ：ｔｈｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｆｉｅｌｄ  ａｎｄ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｕｄｉｔｏｒｙ  ａｆｆｅｒｅｎｔｓ，”Ｈｅａｒ．Ｒｅｓ．１２１，ｐｐ．１１−２８，Ｊｕｌｙ  １９９８（その全体が本明細書に参考として援用される）参照）。このようなインパルス応答は、（７）のｒ（ｘ）を電極特異的荷重係数ｃｎ（ｎ＝１、２、…、Ｎ）で乗じることによって近似され得る。すなわち、以下となる。
【数２５】
0005399396.tif 000029
【００５９】
（２５）を（５）に代入し、αおよびβの定義（８）から、得られる相互作用行列は、以下となる。
【数２６】
0005399396.tif 000030
【００６０】
Ｈｃは、行列積として表され得ることが容易に分かる。
【数２７】
0005399396.tif 000031
【００６１】
式中、Ｃは、因数ｃｎを含有する対角行列、すなわち、以下である。
【数２８】
0005399396.tif 000032
【００６２】
（２７）から、逆数相互作用行列は、単に、以下となる。
【数２９】
0005399396.tif 000033
【００６３】
Ｈｃ−１を（５）に代入し、以下を求める。
【数３０】
0005399396.tif 000034
【００６４】
これは、以下のように表され得る。
【数３１】
0005399396.tif 000035
【００６５】
これは、場所非依存性応答のために使用される行列Ｈに基づく系を表す。場所依存性は、連続振幅をその関係付けられた荷重によって乗じ、ＣＩＣ結果をそのそれぞれの荷重で除すことによって、組み込まれる。ＣＩＣ系の実践的実現に関して、計算量は、場所非依存性応答ｒ（ｘ）と比較して、僅かにのみ増加される。しかしながら、反復ＣＩＣ手順および行列反転に関する行列Ｈのあらゆる計算利点は、依然として、完全に利用可能である。
【００６６】
（指数関数的に分布される荷重を伴う場所依存性インパルス応答）
数学的に洗練された解は、（２５）の荷重ｃｎが、定数としてのγに伴って、指数関数的に分布する、すなわち、ｃｎ＝γｎ（ｎ＝１、２、…、Ｎ）と想定される特殊な例に対して得られ得る。例えば、図５は、本発明の一実施形態による、場所依存性インパルス応答を示す。各インパルス応答は、減衰定数α（頂点に向かう）およびβ（基点に向かう）を有する。場所依存性荷重係数は、パラメータγによって定義される指数関数的曲線上に位置する。
【００６７】
インパルス応答ｒｎ（ｘ）は、以下となる。
【数３２】
0005399396.tif 000036
【００６８】
（２６）の行列Ｈｃは、以下のように直接表すことができる。
【数３３】
0005399396.tif 000037
【００６９】
本行列Ｈｃは、定数αおよびβが、以下のα’およびβ’によって単純に置換される場合、（９）の行列Ｈと等しい。
【数３４】
0005399396.tif 000038
したがって、本発明の種々の実施形態では、パラメータα、β、およびγによって記述される各ＣＩＣ系は、パラメータα’およびβ’を伴う等価ＣＩＣ系に変換されてもよく、場所非依存性インパルス応答に基づく、ＣＩＣの全計算利点が利用可能である。（α、β、γ）および（α’、β’）系は、異なる系を表し、その（連続的）総和電位は、活性電極の位置において一致するが、あらゆる他の場所において異なることに留意されたい。
【００７０】
（総括および結論）
上述の刺激概念は、符号相関同時パルスに基づく。連続パルス刺激と比較して、同時振幅は、拡散される蝸牛内電位のパラメータを考慮することによって修正される。本明細書で提示される同時アプローチは、パルス位相を非生理的低継続時間に低減する必要なく、全体的刺激速度を非常に実質的に増加可能であるため、将来的刺激法の基礎となり得る。特に、時間的微細構造情報のより優れた表現が可能となるはずである。理論的上限として、Ｎチャネル連続系の場合、パルス率は、Ｎ倍増加可能である。
【００７１】
各刺激電極に対して、空間インパルス応答が、頂点に向かう減衰定数αおよび基点に向かうβを伴う２つの指数関数的減衰分岐によって近似可能である場合、ＣＩＣアルゴリズムの効率的実装が可能である。また、これは、インパルス応答が、場所依存性であって、定数因子によって異なる場合、有効である。特に、三重対角逆数相互作用行列の特性が、利用可能である。
【００７２】
全体的刺激速度を増加させるために、同時刺激パラダイムが使用されず、代わりに、全体的刺激速度が、一定に維持される場合、より長い位相継続時間および減少されたパルス振幅を伴う同時パルスが利用されてもよい。これは、有利なことに、電力消費の実質的縮小をもたらす。
【００７３】
本発明の代替実施形態は、コンピュータシステムと併用するためのコンピュータプログラム製品として実装されても、または別様にそれを含んでもよい。そのような実装は、コンピュータ可読媒体（例えば、ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、または固定ディスク）等の有形媒体上に固定される、あるいは媒体上のネットワークに接続される通信アダプタ等のモデムまたは他のインターフェースデバイスを介して、コンピュータシステムに伝送される搬送波内で具現化されるコンピュータデータ信号内に固定される、一連のコンピュータ命令を含んでもよい。媒体は、有形媒体（例えば、光またはアナログ通信回線）あるいは無線技術（例えば、マイクロ波、赤外線、または他の伝送技術）によって実装される媒体であってもよい。一連のコンピュータ命令は、システムに関して本明細書で上述された機能の全部または一部を具現化する。当業者は、そのようなコンピュータ命令が、多くのコンピュータアーキテクチャまたはオペレーティングシステムと併用するために、いくつかのプログラミング言語で書き込み可能であることを理解されたい。さらに、そのような命令は、半導体、磁気、光、または他のメモリデバイス等の任意のメモリデバイス内に格納されてもよく、光、赤外線、マイクロ波、または他の伝送技術等の任意の通信技術を使用して伝送されてもよい。そのようなコンピュータプログラム製品は、付属の印刷または電子説明書（例えば、ソフトウェアパッケージ）とともに、取り外し可能な媒体として配布される、コンピュータシステムが予め搭載される（例えば、システムＲＯＭまたは固定ディスク上）、あるいはネットワーク（例えば、インターネットまたはワールドワイドウェブ）上のサーバまたは電子掲示板から配信され得ることが予想される。
【００７４】
本発明の記載される実施形態は、単なる説明であることが意図され、数多くの変形例および修正例が、当業者には明白であろう。そのような変形例および修正例はすべて、添付の請求項に規定される本発明の範囲内として意図される。
【図１】
0005399396.tif 000039
【図２】
0005399396.tif 000040
【図３ａ】
0005399396.tif 000041
【図３ｂ】
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【図３ｃ】
0005399396.tif 000043
【図４】
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【図５】
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